隧道注浆材料的研究与应用.pdf

—文章编号：１００９４５３９（２０１８）增２一０２６４一０４隧道注浆材料的研究与应用李作军（中铁二十三局集团第四工程有限公司四川成都６１００７２）・建筑材料・摘要：当前我国正大规模进行道路改造升级，而我国南方地区多山地丘陵，道路建设中开挖隧道较多，且当地靠近海边，混凝土结构易被离子侵蚀。故本文致力于设计一种堵水效果优良、流动性好、水下抗分散性能强、初终凝间隔短的注浆材料，填充密实衬砌后的缝隙，改善隧道的耐久性，提高我国隧道行业的建设水平。关键词：抗侵蚀注浆材料水下抗分散性中图分类号：Ｕ４５４文献标识码：Ａ—ＤｏＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９４５３９．２０１８．Ｓ２．０６９ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＴｕｎｎｅｌＧｒｏｕｔｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌａｎｄＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＬｉＺｕｏｊｕｎ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ２３ｄＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐ４山ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，ＣｈｅｎｇｄｕＳｉｃｈｕａｎ６１００７２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｉｔｉｓｃａｒｒｙｉｎｇｏｕｔｔｏｕｐｇｒａｄｅｔｈｅｒｏａｄｓｉｎｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅｉｎＣｈｉｎａ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓａｎｄｈｉｌｌｙａｒｅａｓｉｎｓｏｕｔｈｅｒｎＣｈｉｎａ．ａｎｄｍａｎｙｔｕｎｎｅｌｓａｒｅｅｘｃａｖａｔｅｄｄｕｒｉｎｇｒｏａｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｌｏｃａｌａｒｅａｉｓｃｌｏｓｅｔｏｔｈｅｓｅａ，ａｎｄｔｈｅｃｏｎｃｒｅｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｐｒｏｎｅｔｏｂｅｅｒｏｄｅｄｂｙｉｏｎｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｉｍｓｔｏｄｅｓｉｇｎａｋｉｎｄｏｆｇｒｏｕｔｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｗｉｔｈｅｘｃｅｌｌｅｎｔｗａｔｅｒｐｌｕｇｇｉｎｇｅｆｆｅｃｔ，ｇｏｏｄｆｌｕｉｄｉｔｙ，ｓｔｒｏｎｇｕｎｄｅｒｗａｔｅｒａｎｔｉ－ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎａｎｄｓｈｏｒｔｉｎｔｅｒｖａｌｂｅｔｗｅｅｎｉｎｉｔｉａｌａｎｄｆｉｎａｌｓｅｔｔｉｎｇ，ＳＯ鹊ｔｏ｛ｉＵｔｈｅｇａｐａｔｔｈｅｂａｃｋｏｆｔｈｅｌｉｎｉｎｇ，ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌａｎｄｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｌｅｖｅｌｏｆ’ＣｈｉｎａＳｔｕｎｎｅｌｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｋｅｙ—ｗｏｒｄｓ：ａｎｔｉｅｒｏｓｉｏｎ；ｇｒｏｕｔｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌ；ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ—ａｎｔｉｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ１引言我国南方沿海省份多丘陵地带，丘陵占总面积的７２％。综合经济性、施工周期和缩短线路等因素，在修建道路和铁路时，多需要开挖隧道。隧道建设中常会遇到岩溶地貌，这种地貌透水率大，容易导致衬砌漏水，若处理不当会造成隧道突水、涌泥等严重后果，同时地下水中的各种离子会侵蚀衬砌甚至钢筋混凝土主体结构，造成钢筋锈蚀，影响隧道质量，延误工期。实际调研了解到，当前施工中多采用注浆材料密实填充衬砌后的缝隙来加固隧道结构，采用防渗漏水措施保护钢筋混凝土主体结构。２００７年武汉理工大学采用以钢渣复合粉煤灰、矿渣和偏高岭土——收稿日期：２０１８０３２０作者简介：李作军（１９８３一），男，工程师，主要从事高速铁路施工技术及高性能材料开发工作。铁道建筑技术等硅铝质材料与水玻璃混合形成的高性能水玻璃悬浊液【１１；２０１０年山东大学试验了一种新型ＶＣＨ动水注浆材料，能够在一定程度上缓解涌水治理工程中的跑浆，串浆问题拉ｊ。注浆材料总体可分为水泥浆料和化学浆料两大类，水泥浆料强度高、原料来源丰富、价格低廉易于施工操作；化学浆料黏度低、流动性好，能进入一些水泥浆料无法进入的细小缝隙，但具有一定的毒性且价格高昂旧Ｊ。故本文着眼于水泥浆料，拟设计一种早强较高，流动性、抗渗性良好，易于施工的水泥注浆材料，应用于岩溶环境下的隧道后期维护和围岩加固防渗漏水，增加隧道寿命。２原材料２．１水泥≥快硬硫铝酸盐水泥（Ｒ・ＳＡＣ）４２．５，比表面积ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８（增２ｌ万方数据・建筑材料・３６０ｍ２／ｋｇ。２．２外加剂本文所探究的材料为浆料，其通过钻孔注入岩石后，与水接触受到动水的冲刷。因此要求浆料有较好的抗动水冲刷能力，在流水的冲刷下有较高的留存率，且在与水相互作用之后能够较好的保持原配合比，抗分散性好、不易被稀释Ｈ娟Ｊ。为此要求浆料的上层清液ｐＨ＞９，试块的水陆强度比＞７５％，浆液在１．０ｍ／ｓ的流水中冲刷５ｍｉｎ，留存率应大于７０％。故外加剂有聚羧酸减水剂、水下抗分散剂ＫＳＦ（无味粉末，速溶型，分子量７．１Ｘ１０５）、速凝剂Ｎ（密度为２．１２ｇ／ｃｍ３，相对分子量７３．８４）。２．３掺料（见表１）粉煤灰，硅灰（比表面积为２×１０４ｍ２／ｋｇ）表１掺料的化学组成组成品种Ｓｉ０２ＩＦｅａ０３ＩＡｌ２０３ＣａＯＭｓｏＫ２０ＮａＯｌＬｏｓｓＩ其他粉煤灰１４８．９９ｌ３．４８１３７．３５３．６０１０．６２１０．３０１０．３６４．０２．４水采用自来水。３配合比设计３．１水胶比实验本文以快硬硫铝酸盐水泥为基础，在外加剂的调控下，测试浆料的流动性、结石率等性质，拟得到最优水灰比（见表２）。表２不同水灰比下浆料性能浆料水灰速凝剂减水剂流动度／凝结时间／ｍｉｎ结石编号比掺量／％掺量／％ｍｍ初凝终凝鲫％ｌ０．４７Ｏ．１０．４２４０６ｌｌ９７．２２０．５０Ｏ．１０．４２５５５１０９８．５３０．５３Ｏ．２０．３２７５４８９９．４４０．５６Ｏ．１０．４２６０４７９９．３通过查阅相关文献和规范，等梯度设计如上四种不同水灰比的浆料并测试其性能。由表２可看出，四种水胶比下，浆料的结石率都可达到９８．５％以上，满足设计要求，具备相应的密实填充能力，可完成堵水任务，并保有较高的抗渗性。同时可知，四号浆料的初、终凝时间间隔最短，密实填充效果最好。然而四号浆料的流动性相比三号较差，考虑铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ到施工泵送的便捷，本文拟采用０．５３水胶比配置注浆材料。３．２粉煤灰掺量的影响在配比中加入一定的粉煤灰等量替代水泥，可改善浆料的流动性和强度。本文设置粉煤灰梯度掺量，探究最优粉煤灰掺量。由表３可得，随粉煤灰掺量的增加，浆料的结石率逐渐上升，当掺量达到１０％以上时，浆料的结实率均可达到９９．９％，有利于密实填充缝隙，防止渗漏水，且浆料的流动度随粉煤灰掺量的增加而增加，然而浆料的强度随粉煤灰掺量的加人呈现先增后减的规律。表３不同粉煤灰掺量下浆料性能浆料粉煤灰速凝剂浆料流动度／抗压强结石编号掺量／％掺量／％编号ｍｍ度／ＭＰａ影％ｌ００．１０．４２７５７．３８９９．４２５０．１Ｏ．４２７８７．３２９９．６３１０Ｏ．２Ｏ．３２８０７．２０９９．９４１５Ｏ．２０．３２８６６．９７９９．９５２５Ｏ．１Ｏ．４２９５６．５０９９．９粉煤灰内部含有许多圆球状的玻璃微珠且粒径较小，可填充在棱角不规则的水泥粉末中，既可改善水泥的级配又可以产生滚珠效应，减小水泥颗粒间相对位移的阻力，从而增大浆料的流动度。且粉煤灰同时具有火山灰效应和微集料效应，当粉煤灰含量较低时可充分发挥其微集料效应，填充水泥颗粒缝隙改善浆料的强度，当掺量较高时，易导致浆料早强偏低。故结合多项指标，本文拟在配比中加人１０％粉煤灰，提高浆料的结石率和流动度。３．３硅灰掺量对浆料性能的影响用不同掺量的硅灰替代水泥一ｊ，浆料的性能如表４所示，浆料的抗压强度随硅灰掺量的增加而增加，当硅灰掺量较小时，浆料的流动度随硅灰的增加而增加，但当硅灰的掺量超过６％后，浆料的流动度反而随硅灰的增加而减小。硅灰的粒径较小，比粉煤灰还要小两个数量级，因此硅灰可以填充进粉煤灰和水泥的缝隙中，提高胶凝材料的密实堆积程度，故浆料的抗压强度随硅灰掺量的增加而增加。硅灰的粒径小且颗粒规整近似圆球状，在水泥和粉煤灰中可发挥其滚珠效应，促进浆料的流动，但硅灰的需水量较大，在水胶比不变的情况下，当硅灰２０１８Ｉ增２）万方数据・建筑材料・的掺量较高时，易导致浆料黏度过大，影响其流动度和工作性，不利于泵送施工，故由表４，最佳的硅灰掺量为６％。表４不同硅灰掺量下浆料性能浆料粉煤灰硅灰掺速凝剂减水剂流动度／抗压强结实编号掺量／％量／％掺量／％掺量／％ｎｌｍ度／ＭＰａ璋ｙ％１ｌＯＯ０．１Ｏ．４２８０７．２０９９．９２１０２０．１０．４２８４７．６６９９．９３１０４Ｏ．２０．３２８９８．１４９９．９４１０６Ｏ．２０．３２９６８．８６９９．９５１０８Ｏ．１０．４２８６８．４２９９．９３．４水下抗分散剂掺量浆料通过钻孔注入衬砌后空隙内，与动水接触并被动水冲刷，因此要求浆料有较好的抗冲刷能力，在水中依然能较好的保持其配比的完整，使其能较好的胶凝固化。本文选用ＫＳＰ型水下抗分散剂，并探究不同掺量下浆料的性能。如表５所示，在速凝剂的作用下浆料的早强增长迅速，其抗压和抗折强度随着水下抗分散剂掺量的增加而减小，且性能降低较为明显，因此需要严格控制ＫＳＰ抗分散剂的掺量不可超过０．４５％。由表５可知，抗分散剂的掺量越小浆料胶凝固化后的力学强度越好，然而经过试验发现，当选用０．３％掺量时，浆料在１．０ｍ／ｓ的流水中冲刷５ｍｉｎ后，保留率仅有６６．７％，难以较好的保存其配比，选用０．３５％掺量，在相同条件下重复试验，保留率可达７４．３％，满足设计要求，故本文选用０．３５％掺量的抗分散剂配置注浆材料。表５水下抗分散剂掺量对浆料抗折、抗压强度的影响Ｒ・ＳＡＣ４２．５粉煤灰硅灰速凝耖％减水剂／％水胶比水下０．８４Ｏ．１Ｏ．０６０．１Ｏ．４Ｏ．５３抗分３ｄ７ｄ２８ｄ散剂／％抗折／抗压／抗折／抗彤抗折／抗矽ＭＰａＭＰａＭＰａＭＰａＭＰａＭＰａＯ．３０４．２２１，３４．７２３．３５．１２５．６Ｏ．３５３．８１９．８４．２２１．９４．５２３．４０．４０３．３１９．１３．８２０．８３．９２１．３０．４５２．７１８．３３．３１９．９３．５２０．８隙后能够迅速丧失流动性胶凝固化且早强增长迅速、能满足设计要求封堵动水的注浆材料（见表６～表８）。表６注浆材料配合比表７浆料早期抗压强度时间３０ｍｉｎｌｈ３ｈ６ｈ１２ｈ１ｄ３ｄ７ｄ２８ｄ抗压强８１１１５１７１８２０２ｌ２３２４度／ＭＰａ表８注浆材料抗渗性能恒压时间／ｈ渗透高品类１．５ＭＰａ２ＭＰａ２．５ＭＰａ３ＭＰａ度／ｃｍ硫铝酸盐水泥注浆材料８８８８３～５本文制备的注浆材料凝结时间合适且可通过速凝剂Ｎ掺量的改变进行调控，结合工程实际和当地的温度、地下水环境，建议采用该配比，控制初凝—时间在３５—ｒａｉｎ，终凝时间在７８ｒａｉｎ。早期强度增长迅速且无衰减，在一定动水冲刷下可较好的保持其原配合比，浆液有较好的存留率，基本保持完整，浆液流动度在２１～２３ｃｍ，基本无泌水现象，结石率可达９７％左右，可以在被注岩体的缝隙中扩散、胶凝、固化填充孔隙，较好的封堵渗漏水。本文设计的注浆材料主要应用于我国南方沿海地区，特别是福建广东，当地靠近海，雨水充沛，地下水资源丰富，靠近水中各种离子含量丰富，长期同隧道围岩衬砌接触，会逐渐侵蚀衬砌。若水中氯离子含量较高甚至会锈蚀钢筋，引起体积膨胀破坏隧道结构。针对这种情况，本文对固化后的注浆材料进行抗渗性试验。在四种不同恒压作用８ｈ后，渗透高度最高不超过５ｃｍ。该注浆材料的抗渗性良好，可以较好的抵抗动水及其中各种离子的侵蚀，在满足堵水要求的情况下保护钢筋混凝土结构，延长隧道的使用寿命，减少后期的维修次数，节约隧道的维护成本。４注浆材料配比及性能５注浆工艺基于各级规范和行业对比，本文通过多次试验制备了一种水下抗分散强、强度满足要求、初终凝时间间隔短、在早期拥有较好流动性、充分填充缝铁道建筑技术本文选用硫铝酸盐水泥为基础制备注浆材料，根据斯托克斯于１８４５年的研究，可将这种浆料当做宾汉姆流体来处理。其特点在于浆液的流动阻力ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８（增２ｌ万方数据・建筑材料・为其本身的黏度，其在备注岩体内的扩散半径亦受到浆液本身黏聚力的制约¨０。１２Ｊ。从理论上浆液灌入理论主要被分为渗透注浆理论、压密注浆理论和劈裂注浆理论三部分；而在机理上注浆工艺可分为静压注浆和高压注浆；从施工方法上可分为孔内卡塞、孑Ｌ口封闭和综合注浆三种。静压注浆是指在压力作用下，让浆液通过钻孔沿着岩体流动，在最小应力处劈裂、延展，形成网状的胶凝体，使土体的孑Ｌ隙在其密实挤压作用下逐渐缩小。其优点在于施工便捷、速度快。高压注浆则是将带有喷头的注浆管伸人被注岩体的表面，用高压水束对土体进行切割，同时在切口注入配置好的浆液，令其扩散，形成一定形状的胶凝体。这种方法的特点是注浆的范围及胶凝体的形状可控，堵水效果较好¨引。在注浆开始之前需对隧道的地质环境进行超前探测，充分掌握地质条件，避免因地质不详而导致施工方法错误，造成隧道突水、塌方等重大事故。钻孔前应对隧道本身的结构缝隙进行修补，特别是道床与衬砌之间的缝隙，可用环氧树脂对这些结构缺陷进行封堵，然后才可进行钻孔作业。注浆施工的第一步就是钻孔，直接关系到整个注浆工艺的质量和工程进度，应严格按照设计的方向、角度、孔径作业。在作业工程中若遇到结构主筋，应放弃钻孔，并用水泥砂将该孔洞封闭，以免破坏主筋结构ｕ４｜。钻孔完成后，先对孔口进行清洗，然后固定好孔口套管，呈品字形布置三个注浆封闭孔，用环氧树脂封闭套管边缘的缝隙后，安装灌浆机开始注浆，达到注浆结束压力后，稳定１０ｍｉｎ然后结束注浆。注浆完成后，将孔口管切除，在注浆管中灌满水泥砂，用环氧树脂进行封管处理（见图１）¨０｜。三雁网图１注浆施工流程６结论（１）本文着眼于当前我国南方特殊环境，针对隧道建设和维护中的渗漏水问题，设计了一种注浆材料铁道建兢技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ的配比。在具备良好的密实填充孔隙堵水效果的同时，兼顾良好的抗渗性，保护钢筋混凝土主体结构，减少后期隧道的维护成本，具有良好的经济性。（２）通过多次试验探究了ＫＳＰ水下抗分散剂对浆料力学性能的影响，并结合其抗动水冲刷能力同掺量的关系，确定其最优掺量。“”“（３）针对传统的堵排结合，以排为主提出以”堵为主，控制排水的策略，保护当地的生态环境。同时，将浆料的抗冲刷性和水下抗分散性作为重要指标来考虑，在配比中加入ＫＳＰ水下抗分散剂和速凝剂Ｎ，控制凝结时间，提高了浆料的堵水效果。参考文献［１］王红喜．高性能水玻璃悬浊型双液灌浆材料研究与应用［Ｄ］．武汉：武汉理工大学，２００７．［２］刘人太，李术才，张庆松，等．一种新型动水注浆材料的试验与应用研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１ｌ—（７）：１４５４１４５９．［３］李军．注浆加固技术在地铁隧道结构沉降处理中的应用研究［Ｄ］．广州：华南理工大学，２０１３．［４］卓越，焦雷．高抗渗注浆材料在水下地铁隧道地层加固中的研究与应用［Ｊ］．隧道建设，２０１７，３７（８）：９３３—９３８．［５］叶飞，毛家骅，纪明，等．盾构隧道壁后注浆研究现状—及发展趋势［Ｊ］．隧道建设，２０１５（８）：７３９７５２．［６］胡格．高风险岩溶隧道注浆材料的研究与应用［Ｄ］．武汉：武汉工程大学，２０１５．［７］赵健．歌乐山隧道岩溶富水区帷幕注浆堵水技术的研究［Ｄ］．成都：西南交通大学，２００４．［８］刘毅．浅埋隧道破碎带岩体注浆技术：以长沙市营盘路湘江隧道为例［Ｄ］．长沙：中南大学，２０１０．［９］夏小亮．注浆材料优化配比与注浆试验研究［Ｄ］．淮南：安徽理工大学，２０１１．［１０］赵晋乾．山岭公路隧道注浆效果评价及技术指南研——究以铜锣山隧道地表与洞内后注浆为例［Ｄ］．成都：成都理工大学，２００９．［１１］宋金峰．圆梁山隧道注浆堵水方案及施工技术研究［Ｄ］．北京：中国地质大学，２０１１．［１２］林春金．运营隧道衬砌渗漏水机理及注浆治理研究［Ｄ］．济南：山东大学，２０１７．［１３］刘涛．超厚粉细砂地层长大钻孔灌注桩施工技术研究—［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（３）：７０７３．［１４］姜文清．考虑应力一渗流耦合的水下地铁隧道稳定性—分析［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（３）：１５．２０１８ｌ增２１万方数据